馬 凱

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

煤礦巷道掘進承擔(dān)著為綜采準備工作面的重任，提高其綜合作業(yè)效率有著重要意義[1]。巷道掘進中除主要的煤炭掘進、運輸及頂錨支護外，還有超前鉆探、疏水孔鉆探[2-4]、給排水管的安裝鋪設(shè)、頂錨索支護、幫錨支護、巷道平整及聯(lián)巷切槽等大量輔助工作。超前鉆探若使用自移式液壓鉆機，單機成本高昂，若使用非自移式鉆機，設(shè)備的移動定位較為麻煩；給排水管道沿側(cè)幫鋪設(shè)，當前施工時需人工手持液壓鉆機站在鏟車上鉆孔、安裝托架。需要鏟車司機1人，鉆孔人員2人，由多人將水管抬至托架上，勞動強度較大；頂錨索補打設(shè)備一把為單體錨索鉆機，需要司機1名、錨護人員3人；側(cè)幫錨桿支護一般使用兩臂錨桿機[5，6]及人工手持氣動錨桿同時補打，一般需要人員3人；聯(lián)巷切槽需要1～2人手持風(fēng)鉆作業(yè)；巷道平整修復(fù)需要專門的巷修設(shè)備[7，8]；在設(shè)備搬家倒面時，輸送帶的收放需要在頂板懸垂導(dǎo)鏈裝置人工進行卷繞；在現(xiàn)有工藝流程中，巷道掘進工作整體完成后再進行疏放水操作。由此可知，上述輔助工作需要3～4個專業(yè)隊伍操作，人員超過10人，單機設(shè)備多，工人勞動強度大，作業(yè)效率低。

針對上述問題，研制了一種具備探放水、錨索支護、幫錨支護、水管抓舉、巷道修復(fù)破碎、輸送帶卷繞等多項功能的可自行移動的探錨多功能機。該設(shè)備操作僅需要2～3人，可有效提高作業(yè)效率，降低工人勞動強度，達到減員增效的目的。其中探放水機構(gòu)、破碎錘機構(gòu)、卷帶裝置等為快換式模塊設(shè)計，可根據(jù)實際需要進行選裝，以提高設(shè)備的利用率。

1 主要技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點

1.1 整機主要技術(shù)參數(shù)

整機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 探錨多功能機技術(shù)參數(shù)

1.2 技術(shù)特點

1)采用輕型窄機身履帶式底盤，整機尺寸小，機動靈活。

2) 配置自動卷電纜裝置，運行效率高。

3)采用快換式模塊設(shè)計，作業(yè)功能全面，可滿足掘進巷道大部分輔助作業(yè)需求。

4)整機及主要功能模塊均為遙控操作，操作人員較少。

5)探放水機構(gòu)鉆進時鉆桿自動接續(xù)，自動化程度高。

2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

TM55/200探錨多功能機分為主機部分和快換模塊部分。探放水機構(gòu)、破碎錘機構(gòu)、卷皮帶裝置等模塊均通過底盤上的快換機構(gòu)與主機連接。

3.在瓶中白霧沒消失前再迅速將無孔橡膠塞塞回瓶口，會發(fā)現(xiàn)瓶中白霧消失，說明橡膠塞塞回時對瓶內(nèi)氣體做功，氣體內(nèi)能增加，白霧又汽化變成酒精蒸氣，讀出此時溫度計的示數(shù)為t3，對比發(fā)現(xiàn)t3＞t2，這也可以驗證“對氣體做功，氣體內(nèi)能增加”的結(jié)論。

2.1 主機結(jié)構(gòu)設(shè)計

主機部分主要由底盤、卷電纜裝置、機械手組件、側(cè)幫錨護機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TM 55/200探錨多功能機主機部分

2.1.1 底盤

探錨多功能機底盤包括履帶架、中間機架、履帶行走機構(gòu)、后穩(wěn)定支撐機構(gòu)、快換機構(gòu)(圖1中序號4)等。底盤是各功能部件及執(zhí)行機構(gòu)的安裝基座，決定了整機布置的合理性。多功能機機身窄小，又采用了快換機構(gòu)，快換模塊中探放水機構(gòu)重量較大，快換前后對整機重心影響較大。因此在底盤設(shè)計中充分考慮了各種工況下整機的穩(wěn)定性、通過性、轉(zhuǎn)向性等，在輕量化通用履帶底盤的基礎(chǔ)上，開發(fā)設(shè)計了具有快換機構(gòu)的多功能機專用底盤。

2.1.2 機械手組件

機械手組件如圖2所示，設(shè)計中借鑒了工程設(shè)備機械手[9，10]和礦用抱柱機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)抓送水管功能，可適應(yīng)108mm、159mm、219mm規(guī)格的水管抓舉。抓管機械手需適應(yīng)從3～4.5m的巷道高度范圍，跨過運輸機抓送水管，且收回時要完全并回狹小的機身范圍內(nèi)，同時具備將整個水管框提起并抓送到位的能力，即需具備寬廣的抓舉重量范圍及抓送幅度。在抓送水管時抓手要具備夾緊、擺動、回轉(zhuǎn)等多自由度，以便于調(diào)節(jié)安裝水管。在設(shè)計中利用回轉(zhuǎn)減速器、多級伸縮套筒等各種結(jié)構(gòu)形式，盡量擴展抓手終端的運動空間；通過動力學(xué)仿真分析合理分配各級連桿工作長度，在提高作業(yè)范圍及改進連桿、油缸受力狀況之間進行了有效平衡。

圖2 機械手組件

2.1.3 側(cè)幫錨護機構(gòu)

側(cè)幫錨護機構(gòu)如圖3所示，在整機上橫向布置，采用電液控制的濕式鉆機，主要用于巷道兩側(cè)幫錨桿的補充錨護作業(yè)。側(cè)幫錨護機構(gòu)采用多級連桿機構(gòu)提高錨護覆蓋范圍。設(shè)計中明確各連桿機構(gòu)的有效作業(yè)范圍，深入分析了各連桿的運動包絡(luò)軌跡，對各項操作進行軌跡優(yōu)化，以提高作業(yè)效率，簡化實際操作。圖3中曲線a為鉆架回轉(zhuǎn)中心點的運行軌跡，曲線b為鉆架鉆桿頂點在機身右側(cè)的運動包絡(luò)軌跡(左側(cè)運動軌跡未標示出)，據(jù)此可得到側(cè)幫錨護的工作范圍。

圖3 側(cè)幫錨護機構(gòu)

側(cè)幫錨護機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)：鉆機進給長度1820mm，最大進給力28kN，鉆進速度0～20(m/min)，鉆機轉(zhuǎn)速500±50(r/min)。

多功能機由拖曳電纜提供電源，設(shè)計配備了機載自動卷電纜裝置。該裝置可容納一定長度的電纜，隨設(shè)備后退前進自動收放電纜。卷電纜裝置由液壓馬達、卷纜滾筒、排纜機構(gòu)、滿纜保護等部件組成。卷纜裝置的收放纜動作由卷纜閥自動控制，可時刻保持電纜有一定的張緊力，防止設(shè)備行走時傾軋電纜。卷纜裝置容纜量為200m。

2.1.5 液壓系統(tǒng)

探錨多功能機的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，分為行走回路、卷纜回路、加油張緊回路、側(cè)幫錨護回路、探放水控制回路、破碎錘控制回路、機械手控制回路、平臺及輔助控制回路等，另外還為錨索張拉機具提供了控制油路。液壓系統(tǒng)采用1個負載敏感變量泵供液，控制馬達、油缸共計40余個。

2.1.6 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是探錨多功能機的控制中樞，用來對泵電機以及多個電磁閥實施控制，具有短路、過載、斷相、過熱、漏電監(jiān)視、漏電閉鎖等保護功能。電控系統(tǒng)主要由主電控箱、操作箱、顯示箱、電磁閥驅(qū)動器、遙控接收機、遠程控制箱、主控制器、傳感器、電磁閥等部件組成。探錨多功能機的機械手、側(cè)幫錨護、探放水機構(gòu)、破碎錘機構(gòu)等多個工作機構(gòu)均為遙控操作，其中探放水機構(gòu)鉆桿接續(xù)等工作部分實現(xiàn)了自動化操作 。

2.2 快換模塊設(shè)計

快換模塊主要包括探放水機構(gòu)、破碎錘機構(gòu)以及卷皮帶裝置等功能模塊。各模塊通過主機底盤上的快換機構(gòu)實現(xiàn)快速拆卸更換。安裝了探放水機構(gòu)的探錨多功能機整機如圖4所示。以下重點介紹探放水機構(gòu)、破碎錘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖4 安裝了探放水機構(gòu)的整機

2.2.1 探放水機構(gòu)

探放水機構(gòu)是探錨多功能機的核心機構(gòu)，集錨索支護、疏放水、探水三項功能于一體，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 探放水機構(gòu)

探放水機構(gòu)采用濕式鉆孔，配備自動鉆架，可機載8根探桿(鉆桿)，鉆進作業(yè)時鉆桿可自動接續(xù)。探放水機構(gòu)設(shè)計采用了回轉(zhuǎn)減速器及兩級提升機構(gòu)，提高了鉆機適應(yīng)范圍。鉆進時采用支撐機構(gòu)撐頂，提高了鉆進穩(wěn)定性及安全性。針對錨索支護與探水鉆探工況、鉆桿直徑的較大差別，專項研究設(shè)計了適應(yīng)多鉆桿尺寸系列的自動鉆架料桿倉及機械手、同時適應(yīng)探水鉆機及濕式錨索鉆機工況的供水裝置以及基于該供水裝置的鉆桿自動接續(xù)及拆卸機構(gòu)。

探放水機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)為：鉆孔深度200m，探水鉆桿直徑50mm，轉(zhuǎn)矩1200～320(N·m)，轉(zhuǎn)速80～280(r/min)，最大進給/起拔力45kN，單次推進行程1000mm，主軸傾角-10°～90°，工作臺回轉(zhuǎn)角±90°。

2.2.2 破碎錘機構(gòu)

破碎錘機構(gòu)如圖6所示，主體結(jié)構(gòu)借鑒了挖掘機工作機構(gòu)[11-13]，通過安裝底座與主機進行快換連接，主要用于巷道平整及聯(lián)巷切槽等輔助工作。破碎錘機構(gòu)采用回轉(zhuǎn)減速器、多連桿機構(gòu)、擺動油缸等結(jié)構(gòu)方式，有效工作范圍較廣。圖6中曲線c為破碎錘回轉(zhuǎn)中心點的運行軌跡，據(jù)此可得到破碎錘的破碎作業(yè)范圍。

圖6 破碎錘機構(gòu)

3 結(jié) 語

通過對TM 55/200探錨多功能機研制背景及主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計說明可以看出，該設(shè)備具備探放水、錨索支護、幫錨支護、水管抓舉、巷道修復(fù)破碎、皮帶卷繞等多項功能，操作僅需要人員2～3人，可有效提高作業(yè)效率、降低工人勞動強度、降低設(shè)備采購使用成本等。后續(xù)將基于安全作業(yè)規(guī)程要求，結(jié)合探錨多功能機能力及特點，優(yōu)化工藝流程，將原分散的輔助作業(yè)進行集中化、區(qū)域化處理，以充分利用探錨多功能機的能力，提高系統(tǒng)作業(yè)效率。探錨多功能機將具有廣闊的市場應(yīng)用前景。